Физтехи разобрали на составные части сигнал, по которому хиральную молекулу можно отличить от ее зеркального двойника в спектроскопии перерассеянных фотоэлектронов. Оказалось, что сигнал складывается из двух физически разных вкладов — они рождаются на стадии туннелирования электрона и на стадии его возвращения к молекуле, и каждый из них удается включать и выключать по отдельности, меняя всего один параметр эксперимента: относительную фазу двухцветного лазерного поля. Работа опубликована в журнале Physical Review A. Исследование поддержано Российским научным фондом, грант №24-12-00055.
Хиральность — это свойство молекулы не совмещаться со своим зеркальным отражением, как не совмещаются левая и правая руки.
Для химии и биологии разница принципиальна. Энантиомеры — это молекулы-двойники, которые состоят из одних и тех же атомов и различаются только закруткой геометрии. Почти все аминокислоты и сахара живой природы встречаются лишь в одной из двух форм, а у лекарственного вещества один энантиомер может работать, тогда как второй бесполезен или опасен.
Беда в том, что хиральность проявляет себя только при взаимодействии с другим хиральным объектом. Значит, чтобы различить энантиомеры светом, нужен зонд, у которого есть собственная закрутка.
Такие зонды физики ищут давно. Здесь работают фотоэлектронный круговой дихроизм, генерация высоких гармоник в сильном поле и хиральные особенности в распределении вылетающих электронов по импульсам.
Само рождение электрона в сильном лазерном поле идет по стадиям. Сначала поле «наклоняет» потенциальный барьер и электрон уходит из молекулы туннелированием, затем он свободно летит, разгоняясь полем, а через долю периода поле разворачивает его назад — и электрон сталкивается с собственным ионом.
Именно на этом столкновении построена спектроскопия перерассеянных фотоэлектронов, RPES. Молекула, по сути, фотографирует сама себя своим же электроном: рассеявшись, электрон уносит информацию о геометрии и электронной структуре мишени.
Ключевая точка метода — каустика обратного перерассеяния, поверхность в пространстве импульсов фотоэлектрона, на которой сливаются «длинная» и «короткая» траектории возврата. На каустике справедлива формула факторизации: измеряемое распределение распадается на амплитуду туннелирования, точную амплитуду упругого рассеяния электрона на ионе и множитель, описывающий свободный полет.
До сих пор оставался открытым простой вопрос о том, какая из стадий несет хиральный отпечаток. Все имеющиеся наблюдаемые смешивают вклады всех этапов в один сигнал, и разложить его на слагаемые в эксперименте не удавалось.
Исследователи из МФТИ поставили задачу выяснить, на каких стадиях возникает энантиочувствительность и можно ли управлять этими стадиями независимо друг от друга.
Для этого ученые использовали двухцветное лазерное поле: сильную основную волну и слабую вторую гармонику, поляризованную перпендикулярно. Меняя относительную фазу между ними, можно плавно перераспределять вес двух механизмов, а в некоторых точках — полностью обнулить один из них. То есть фаза работает как переключатель: либо сигнал проходит в основном с помощью квантового туннелирования, либо от перерассеяния.
Физический смысл в том, что электрон после выхода из туннеля обладает вихревой структурой — его можно представить как смесь право- и левозакрученных волн. Молекула реагирует на них по-разному, и эта разница как раз и несет информацию о хиральности. В методе RPES такой вихревой зонд создается сам собой: не нужно извне направлять на молекулу пучок закрученных электронов.
Хиральный сигнал в экспериментах оказался слабым — около 0,5% от общего распределения электронов, но это в пределах чувствительности уже существующих экспериментов. Главное практическое следствие оказалось следующим: метод позволяет отдельно изучать разные стадии процесса. Это важно и для фундаментальной физики, и для фармацевтики, где нужно различать энантиомеры.
Кирилл Базаров, доцент кафедры теоретической физики МФТИ, так прокомментировал результат: «Мы изучали, на какой стадии молекула выдает свою хиральность. Ответ оказался четким: стадия свободного полета тут ни при чем, весь хиральный сигнал набирается ровно в двух точках: при туннелировании и при перерассеянии с материнским ионом. А относительная фаза двухцветного поля работает как переключатель между ними».
Олег Толстихин, ведущий научный сотрудник Международного центра теоретической физики им. А. А. Абрикосова, профессор МФТИ, добавил: «Функции хирального отклика — это внутренние характеристики молекулы, такие же по статусу, как сечения упругого рассеяния электрона на ионе, которые RPES давно научилась извлекать из эксперимента. Следующий шаг — вытащить их из измерений по отдельности, и это можно сделать уже на существующих установках: нужен всего лишь ортогональный двухцветный импульс и сканирование относительной фазы».
Исследование поддержано Российским научным фондом (грант №24-12-00055).
Научная статья: Kirill V. Bazarov, Oleg I. Tolstikhin. Mechanisms of enantiosensitivity in rescattering photoelectron spectroscopy // Physical Review A, 2026; 114(1): L011101. https://doi.org/10.1103/2qqx-g4rq
Нобелевскую премию в области химии за 2026 год получат Анри Каган (Франция) и Кенсо Соаи (Япония). Об этом сообщил Нобелевский комитет по химии Королевской академии наук Швеции. Ученых отметили премией за «открытие нелинейных эффектов и автокатализа в асимметричном органическом синтезе», говорится в мотивировочной части решения комитета. Открытия нобелевских лауреатов активно используются в фармацевтике и химической промышленности для синтеза различных «зеркальных» молекул.
